高性能BiCMOS-NDR器件和BiCMOS数字集成电路设计研究

BiCMOS circuits not only have the advantages of high integration level and low power as the CMOS circuits, but also have the advantages of strong driving capability and high speed as the bipolar circuits, which gain an increasing attention in modern circuits systems. This application projection proposes a general structure and design method of BiCMOS combinational circuits, and then a general structure and design method of driving circuits for full-swing BiCMOS combinational circuits is also proposed. Based on this, full-swing BiCMOS combinational circuits are designed at the switch level. Pulse-triggered flip-flops are characterized by simple structure, soft edge, small delay, low power and so on. Based on the advanced pulse-triggered flip-flops, a BiCMOS pulse-triggered flip-flops structure and design method are proposed for designing BiCMOS sequential circuits. Negative differential resistance (NDR) device has the advantages of low power, high speed and excellent function. Based on NDR, the characteristic and design method of high performance BiCMOS-NDR device are researched in this application project. A further research that the design method of BiCMOS combinational circuits and sequential circuits based on BiCMOS-NDR are proposed, and finally the high performance BiCMOS digital integrated circuits are designed. This project is to provide technical support for developing high performance BiCMOS digital integrated circuits with own intellectual property for our country.

具有CMOS电路高集成度、低功耗的优点，又有双极型电路驱动能力强、速度快优点的BiCMOS电路在现代电路系统中得到越来越多的应用。本申请项目提出一种BiCMOS组合电路的一般结构及其设计方法，进而提出一种全摆幅BiCMOS组合电路的驱动电路的通用结构及其设计方法，从而从开关级设计出全摆幅BiCMOS组合模块电路；脉冲式触发器具有结构简单、软边沿、低延时、低功耗等优点，本申请项目提出一种BiCMOS脉冲式触发器结构及其设计方法，进而设计BiCMOS时序电路；负微分电阻器件具有低功耗、高速度、功能强的优点，本申请项目将研究高性能BiCMOS负微分电阻器件特性及其设计，并进一步提出一种基于BiCMOS负微分电阻器件的BiCMOS组合电路和时序电路设计方法，最终设计出高性能的BiCMOS数字集成电路。开展本项目研究为我国开发具有自主知识产权的高性能BiCMOS数字集成电路提供技术支持。

随着现代电路系统对速度、功耗、集成度、驱动能力等要求的提高，具有CMOS电路高集成度、低功耗的优点，又有双极型电路驱动能力强、速度快优点的BiCMOS电路在现代电路系统中得到越来越多的应用。本研究项目提出了一种BiCMOS驱动电路的一般结构及其设计方法，进而提出了一种全摆幅BiCMOS驱动电路的结构及其设计方法，从开关级设计出了全摆幅BiCMOS组合模块电路。对设计的各种全摆幅BiCMOS电路模拟结果表明，它们均具有正确的逻辑功能，较快的速度，较低的功耗，并实现了全摆幅输出。这一研究为设计高性能全摆幅BiCMOS数字电路提供了单元电路和设计方法。.脉冲式触发器具有结构简单、软边沿、低延时、低功耗等优点，本研究项目提出了一种BiCMOS脉冲式触发器结构及其设计方法，并具体设计了两种结构简单的BiCMOS脉冲式D型触发器。采用TSMC 180nm工艺模拟表明，所设计的电路不仅具有正确的逻辑功能，且具有高速低功耗大驱动能力的优点，与已有文献提出的BiCMOS D型触发器相比，功耗和PDP均有大幅度降低。这一研究为设计高性能BiCMOS时序电路提供了高性能触发器。.负微分电阻（Negative Differential Resistance，NDR）器件具有低功耗、高速度、功能强的优点，共振隧穿二极管RTD（Resonant Tunneling Diode）不仅具有高速、低功耗、高集成度等优点，且具有优秀的负微分电阻特性。本研究项目研究了基于RTD的数字电路设计。首先，我们设计了一种基于RTD的三变量通用逻辑门ULG3（three-variable Universal Logic Gate），其结构简单，所有三变量函数均能用一个ULG3实现，且方法简单；其次，为用ULG3实现任意逻辑电路，我们提出了基于ULG3的任意n变量逻辑函数分解成三变量逻辑函数子集的分解算法，算法规范且能很方便的编程实现；第三，提出了用设计的RTD三变量通用逻辑门ULG3实现n变量逻辑函数的电路结构；最后，提出了基于RTD三变量通用逻辑门ULG3和电路通用结构的逻辑电路实现综合算法，该算法能很方便地编程实现。这一研究为用RTD通用逻辑门设计任意逻辑函数的RTD电路提供了一种有效的方法。